宽带和方向性无线信道

一、宽带信道

指信号的带宽大于信道的相干带宽。相干带宽： 一个频率范围，在此范围内，信道对所有频率分量的衰减和相位偏移是近似相同的。

意味着什么：

• 频率选择性衰落： 宽带信号中不同频率成分会经历不同程度的衰落。有些频率被严重衰减，有些则被增强。这会导致信号波形失真。

• 多径分辨： 由于信号很“宽”，接收机能够区分开并解析出不同延迟的多径分量。想象一个短脉冲发出后，接收到的是多个有明显时间间隔的回波。

例子： OFDM（正交频分复用，用于Wi-Fi，4G/5G）技术就是将一个宽带信道划分成许多并行的窄带子载波，每个子载波经历平坦衰落，从而克服了频率选择性衰落。

二、方向性无线信道

考虑天线不是向所有方向均匀辐射（全向天线），而是具有特定的方向性，无论是发射端还是接收端。意味着什么：

• 空间滤波： 天线可以聚焦能量在特定方向，从而提高信噪比，并减少来自其他方向的干扰。

• 对多径的敏感度变化： 方向性天线只会“看到”来自其主瓣方向的多径信号，而忽略其他方向的信号。这改变了多径效应的统计特性。

• MIMO的基础： 多天线系统（MIMO）利用的就是信道的空间特性，通过多个方向性通道同时传输数据，极大提升容量。

三、多普勒扩展

是什么： 由于发射机、接收机或环境中散射体的相对运动，导致接收信号频率发生偏移（多普勒频移）的现象。由于多径信号来自不同方向，每条路径的频移可能不同，这些不同频移的集合就构成了多普勒功率谱，其宽度就是多普勒扩展。

多普勒扩展：
多普勒频移是指当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化。而实际产生的频率偏移量并不是真的单一频率偏移，而是一个宽带的扩展谱即多普勒扩展谱（其带宽由最大多普勒频偏决定）。最大多普勒频偏：

多普勒扩展谱：多普勒扩展谱一般为U型谱

下图展示一个最大多普勒频偏为17Khz的扩展谱：

意味着什么：

• 信道时变： 信道特性不再是固定的，而是随时间快速变化。

• 时间选择性衰落： 信号幅度会随时间发生起伏。衰落的速度由多普勒扩展决定。

• 相干时间： 信道保持恒定的时间间隔。相干时间与多普勒扩展成反比。相干时间 ≈ 1 / 多普勒扩展。

例子： 在高速移动的汽车上打电话，信号会快速波动，这就是多普勒扩展导致的时间选择性衰落。

当我们将宽带、方向性和多普勒扩展结合起来时，就得到了一个非常强大的信道描述模型。

四、综合场景

想象一个5G基站（使用天线阵列，具有方向性）与一辆高速行驶的汽车（产生多普勒扩展）进行通信，传输一个宽带信号（如OFDM）。

基站端： 使用波束成形技术，将能量集中对准汽车的方向（方向性）。这提高了信噪比。

信号传播： 信号通过多条路径到达汽车，包括直射路径、来自建筑物的反射路径等。由于信号是宽带的，接收机可以分辨出这些具有不同时延的路径。

汽车运动： 由于汽车在高速运动，每条路径的多普勒频移都不同。

• 直射路径： 频移最大（假设汽车径向运动）。

• 来自侧后方建筑物的反射路径： 频移可能很小甚至是负的。

总体效应：

• 接收到的信号在频率域上经历失真（某些子载波被削弱，频率选择性）。

• 接收到的信号在时间域上快速波动（信号强度时强时弱，时间选择性）。

• 信道的空间特性（最佳波束方向）也在缓慢变化，基站需要不断调整波束来跟踪汽车。

五、总结

特性	描述	对系统的影响	关键参数
宽带	信号带宽 > 信道相干带宽	频率选择性衰落，多径分量可分辨	时延扩展， 相干带宽
方向性	天线辐射模式有方向	空间选择性， 减少干扰， 提升增益	到达角， 出发角
多普勒扩展	由相对运动引起频率扩散	时间选择性衰落， 信道快速时变	多普勒扩展， 相干时间

现代无线通信（尤其是5G及以后）的核心，就是主动地、智能地利用这些复杂的信道特性：

利用宽带特性，通过OFDM等技术对抗多径。

利用方向性，通过 Massive MIMO 和波束成形来提升容量和覆盖。

通过估计和预测多普勒扩展，来调整传输方案（如自适应调制编码），确保在快速变化的信道中保持可靠连接。

因此，理解“宽带和方向性无线信道中的多普勒扩展”是理解和设计任何现代高速移动通信系统的基石。